信息化視角的電磁場論實驗教學(xué)研究

徐 凱 軍

(中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

信息技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)中最活躍、發(fā)展最迅速、影響最廣泛的領(lǐng)域。伴隨著多媒體以及互聯(lián)網(wǎng)開始大范圍普及，普通大眾的生活和學(xué)習(xí)方式因信息技術(shù)而發(fā)生巨大的變化。高校教學(xué)也正在推進信息技術(shù)與教學(xué)的融合，促進教學(xué)模式的改革，提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量[1-3]。電磁場論是勘查技術(shù)與工程及地球物理學(xué)重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，理論體系嚴謹，公式繁雜，概念抽象，不易于直觀理解。將信息技術(shù)與教學(xué)結(jié)合，特別是從信息化教學(xué)視角的電磁場論實驗研究，可以將抽象的概念具體化,將繁雜的推演簡單化,將電磁場空間的描述形象化,將電磁波傳播過程動態(tài)化,進而提高實驗教學(xué)效果[4-7]。信息化技術(shù)最大優(yōu)勢是可以利用多種媒介形象地展示實驗內(nèi)容。資源形式涵蓋視頻、網(wǎng)站、多媒體等各類，將實驗內(nèi)容進行形象化展示，如電偶極子場分布、電磁波傳播等內(nèi)容。

電磁場的傳播特征是電磁場論中重要的研究內(nèi)容，由于電磁波傳播規(guī)律和傳播動態(tài)非常抽象，如何將電磁波傳播過程清楚地展示，是電磁場論實驗教學(xué)中的關(guān)鍵問題。地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)是一種電磁探測技術(shù)，它利用電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中的不同波動規(guī)律來探測地下目標體[8]。電磁波傳播理論是地質(zhì)雷達的理論基礎(chǔ)，建立基于地質(zhì)雷達的電磁波傳播實驗可以在教學(xué)中讓學(xué)生理解電磁波傳播的基本理論，同時還能學(xué)習(xí)電磁波在專業(yè)方面的應(yīng)用。本文基于地質(zhì)雷達方法，開展信息化視角的電磁場論實驗教學(xué)研究，對電磁場論中所表述的抽象的電磁場傳播規(guī)律進行模擬實驗，以圖形、視頻、動畫、網(wǎng)絡(luò)等信息化手段直觀、清楚地顯示出來，加深學(xué)生對抽象的電磁場傳播理論的理解。

1 地質(zhì)雷達電磁波傳播實驗

1.1 激勵源選取

地質(zhì)雷達天線通常采用高斯脈沖(見圖1)作為發(fā)射天線的激勵源。確定了激勵源幅值為100 V、內(nèi)阻為50 Ω·m的高斯脈沖電壓源，其基本公式為：

W(t)=e-ζ(t-χ)2

(1)

式中：ζ=2π2f2，χ=1/f(f為頻率)。

圖1 高斯脈沖電壓源

1.2 天線網(wǎng)格剖分

地質(zhì)雷達發(fā)射天線多采用平面蝶形天線。其中一個為發(fā)射天線，另一個為接收天線，且發(fā)射天線和接收天線的幾何形狀、尺寸與電性參數(shù)完全相同。為了模擬該天線發(fā)射的電磁波在介質(zhì)中的傳播進程，需要對天線進行有限差分網(wǎng)格剖分(見圖2)。

圖2 蝶形天線的網(wǎng)格化

1.3 電磁波傳播有限差分數(shù)值模擬

考慮地下為各向同性的耗損介質(zhì)，電磁場傳播滿足的方程為：

(2)

(3)

式中：E為電場強度，V/m；H為磁場強度，A/m；ε為介電常數(shù)，F(xiàn)/m；μ為磁導(dǎo)率，H/m；σe為電導(dǎo)率，S/m；σm為等效磁阻率，Ω/m。

將研究區(qū)域分割成一定數(shù)量的空間網(wǎng)格，用有限差分方法近似電磁場方程,然后再進行時間離散化，可以得到電磁場滿足的時域有限差分方程[9-13]：

(4)

(5)

(6)

式中：CA(i，j)、CD、CB(i，j)為介質(zhì)電性參數(shù)。

2 電磁波傳播時空特性分析

2.1 電磁波空間傳播特性分析實驗

電磁波隨著空間的傳播特性是電磁場論中重要的內(nèi)容，通過電磁場傳播實驗，可以將電磁場在空間能量的分布情況展示出來。建立一個二維地下空洞模型(見圖3)，激勵天線選用800 MHz，介質(zhì)的電性參數(shù)：ε=9 F/m，ρ=400 Ω·m。在介質(zhì)中存在一個空洞，通過電磁波空間傳播模擬可以得到電磁波反射振幅空間分布剖面(見圖4)，可見在空洞和介質(zhì)的分界面處，由于電性差異明顯不同，在界面處出現(xiàn)強的反射振幅，越往深處電磁波能量在不斷衰減，通過該實驗的分析，可以很好地說明電磁波在地下介質(zhì)不同電性界面處具有不同的反射能量，形象地展示了電磁波探測地下目標體的原理。

圖3 空洞地質(zhì)模型

圖4 電磁波振幅空間分布剖面

2.2 電磁波時間傳播特性分析實驗

電磁波隨著時間傳播特性比較復(fù)雜，不結(jié)合實驗很難理解電磁波隨著時間在介質(zhì)中的傳播特征，基于信息化的手段，用波場快照的方式將電磁波隨著時間的變化規(guī)律用圖形或者動畫展示出來。波場快照實驗可以將不同時間電磁波在地下介質(zhì)中的傳播特性很清楚地展示。建立一個層狀介質(zhì)模型(圖5(a))，通過電磁波不同時間的波場快照(圖5(b)～(d))可以展示在某一時刻電磁波傳播的范圍、反射波和透射波傳播特征和能量?？梢婋姶挪ㄔ趦蓪咏缑嫣?h=10 m，13 m)存在一定的反射與透射信號。由于能量的衰減，反射波和透射波的能量在傳播過程中不斷衰減，傳播時間不同，其傳播的范圍和能量也不同。

(a) 傳播介質(zhì)參數(shù)

(b) t=100 ns

(c) t=140 ns

(d) t=160 ns

3 電磁場實驗教學(xué)信息化體系建設(shè)

電磁場傳播實驗可以從多個角度開展實驗教學(xué)，針對不同頻率發(fā)射源，不同的地下介質(zhì)模型，利用信息化技術(shù)優(yōu)勢，形成電磁場實驗教學(xué)信息化體系。

(1) 仿真實驗平臺。將地質(zhì)雷達電磁波傳播模擬形成仿真軟件，建立電磁波傳播仿真實驗教學(xué)平臺，利用信息化開展多模型、多參數(shù)、多功能的仿真實驗，教學(xué)中采用軟、硬件實驗相結(jié)合的方式，實驗室進行仿真實驗，室外進行實際測量，加深學(xué)生對電磁場理論的理解及實際應(yīng)用能力。

(2) 電磁場傳播實驗“微課”資源建設(shè)。以視頻為主要載體，將地質(zhì)雷達電磁波傳播實驗分解為多個涉及到電磁場基本理論的知識點，將地質(zhì)雷達電磁波傳播過程形成“微課”資源，突出電磁場教學(xué)中某個學(xué)科知識點。微課時間短，針對性強，有利于知識點理解，利用信息化手段，以網(wǎng)上視頻、手機傳播、微博討論等各種方式進行教學(xué)互動，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(3) 網(wǎng)絡(luò)化實驗平臺建設(shè)。建設(shè)電磁場論網(wǎng)絡(luò)化實驗平臺，建立電磁場論的實驗資源庫，教師和學(xué)生可依托平臺進行互動。

4 結(jié) 語

電磁場實驗教學(xué)是電磁場論教學(xué)的重要部分，實驗教學(xué)效果直接影響教學(xué)質(zhì)量，信息化技術(shù)為實驗教

學(xué)提供了良好的資源和手段。基于地質(zhì)雷達的電磁場傳播實驗可以清晰地展現(xiàn)電磁波在地下介質(zhì)的傳播動態(tài)，使抽象的電磁波傳播過程變得直觀、形象、易懂，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，特別是與專業(yè)實際應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，通過在實驗進程中改變地質(zhì)雷達天線的發(fā)射頻率、設(shè)計不同的地質(zhì)模型，改變不同的時間參數(shù)，從不同細節(jié)和角度去理解電磁場的傳播特征，提高了電磁場實際應(yīng)用中分析、解決問題的能力。在電磁場實驗研究的基礎(chǔ)上，借助信息化的手段，形成實驗教學(xué)信息化體系，從而提高電磁場實驗教學(xué)效果。

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